Lasere i plastisk kirurgi

I begynnelsen av forrige århundre, i en publikasjon med tittelen "Quantum Theory of Radiation", lagde Einstein teoretisk grunnlag for prosessene som må skje når laseren gir energi. Maiman bygde den første laseren i 1960. Siden da har den raske utviklingen av laserteknologi ført til etableringen av en rekke lasere som dekker hele det elektromagnetiske spektret. Da fusjonerte de med andre teknologier, inkludert visualiseringssystemer, robotteknikk og datamaskiner, for å forbedre nøyaktigheten av overføringen av laserstråling. Som et resultat av samarbeid innen fysikk og bioteknologi har medisinske lasere som terapeutiske midler blitt en viktig del av kirurgenes arsenal. I utgangspunktet var de besværlige og ble bare brukt av kirurger som var spesielt opplært i laserfysikken. I løpet av de siste 15 årene har designen av medisinske lasere avansert i retning av brukervennlighet, og mange kirurger har studert grunnleggende om laserfysikk i høyere utdanning.

Denne artikkelen diskuterer: biofysikk av lasere; vekselvirkning av vev med laserstråling; enheter som for tiden brukes i plastikk og rekonstruktiv kirurgi; Generelle sikkerhetskrav for arbeid med lasere; Spørsmål om videre bruk av lasere ved inngrep på huden.

Biofysikk av lasere

Lasere avgir lysenergi, som beveger seg i form av bølger som ligner på vanlig lys. Bølgelengden er avstanden mellom to tilstøtende bølgehøyder. Amplitude er størrelsen på maksimumet, bestemmer intensiteten til lysstrålingen. Frekvensen, eller perioden for lysbølgen, er tiden som kreves for en fullstendig bølgesyklus. For å forstå effekten av en laser, er det viktig å vurdere kvantemekanikk. Begrepet "laser" (LASER) er en forkortelse av uttrykket "lysforsterkning ved stimulert stråleutslipp". Hvis en foton, en enhet av lysenergi, kolliderer med et atom, overfører det en av atomens elektroner til et høyere energinivå. Atomet i en slik opphisset tilstand blir ustabil og frigir igjen en foton når elektronen går til det opprinnelige, lavere energinivået. Denne prosessen er kjent som spontan utslipp. Hvis et atom er i en høy-energitilstand og kolliderer med en annen foton, vil den ved overgang til et lavt energinivå tildele to fotoner som har samme bølgelengde, retning og fase. Denne prosessen, kalt stimulert strålingutslipp, ligger til grunn for forståelsen av laserfysikken.

Uansett hvilken type, har alle lasere fire hovedkomponenter: en spennende mekanisme eller en energikilde, et lasermedium, et optisk hulrom eller en resonator og et utkastningssystem. De fleste medisinske lasere som brukes i ansikts plastikkirurgi, har en elektrisk eksitasjonsmekanisme. Noen lasere (for eksempel en fargelaser som er begeistret av en blitslampe) bruker lys som eksitasjonsmekanismen. Andre kan bruke radioenergibølger med høy energi eller kjemiske reaksjoner for å gi eksitasjonsenergi. Exciteringsmekanismen pumper energi inn i et resonanskammer som inneholder et lasermedium, som kan være et fast, flytende, gassformet eller halvledende materiale. Energien som er utladet i resonatorens hulrom, øker elektronene til atomer av lasermediet til et høyere energinivå. Når halvparten av atomer i resonatoren når høy eksitasjon, oppstår populasjonsinversjonen. Spontan utslipp begynner når fotoner sendes ut i alle retninger, og noen av dem kolliderer med allerede spente atomer, noe som fører til stimulert utslipp av parfotoner. Amplifiseringen av den stimulerte emisjonen oppstår som fotonene beveger seg langs aksen mellom speilene reflekteres hovedsakelig frem og tilbake. Dette fører til suksessiv stimulering, siden disse fotonene kolliderer med andre spennende atomer. Ett speil har 100% refleksjon, og den andre - overfører delvis den utstrålede energien fra hulromskammeret. Denne energien overføres til det biologiske vev av utkastningssystemet. I de fleste lasere er det fiberoptisk. Et bemerkelsesverdig unntak er C02-laseren, som har et system av speil på en hengslet bar. For C02 laser er det optiske fibre, men de begrenser spotstørrelsen og utgangsenergien.

Lyset fra laseren i forhold til vanlig lys er mer organisert og kvalitativt intensivt. Siden lasermediet er homogent, har fotonene utstrålet under stimulert utslipp en bølgelengde som skaper monokromatisitet. Vanligvis diffunderer lyset sterkt som det beveger seg vekk fra kilden. Laserlys er kollimert: det sprer seg lite, og gir en konstant intensitet av energi i stor avstand. Fotoner av laserlys beveger seg ikke bare i en retning, de har samme tidsmessige og romlige fase. Dette kalles sammenheng. Egenskapene til monokromatisitet, kollimasjon og kohærens skiller laserlys fra den uordnede energien til vanlig lys.

Laser-vev-interaksjon

Spekteret av laservirkninger på biologiske vev stammer fra moduleringen av biologiske funksjoner til fordampning. De fleste klinisk brukte laser-vevsinteraksjoner medfører termisk koagulasjon eller fordampning. I fremtiden kan lasere ikke brukes som varmekilder, men som probes for kontroll av cellulære funksjoner uten bivirkninger av cytotoksiske effekter.

Effekten av en vanlig laser på vev avhenger av tre faktorer: vevabsorpsjon, laserbølgelengde og laser energi tetthet. Når en laserstråle kolliderer med et vev, kan dets energi bli absorbert, reflektert, overført eller spredt. Med alle vekselvirkninger av vev og laser forekommer alle fire prosessene i varierende grad, hvorav absorpsjon er den viktigste. Graden av absorpsjon avhenger av innholdet av kromoforen i vevet. Kromoforer er stoffer som effektivt absorberer bølger av en viss lengde. For eksempel absorberes energien til CO2-laseren av kroppens myke vev. Dette skyldes det faktum at bølgelengden som tilsvarer C02, absorberes godt av vannmolekyler, som utgjør opptil 80% myke vev. I motsetning til dette er C02-laser absorbert minimalt av beinet, noe som skyldes lavt vanninnhold i beinvevet. Først når vævet absorberer laser energi, begynner dets molekyler å vibrere. Absorpsjon av ekstra energi forårsaker denaturering, koagulering og endelig fordampning av proteinet (fordampning).

Når laserenergien reflekteres av vevet, er sistnevnte ikke skadet, siden strålingsretningen på overflaten endres. Også, hvis laserenergien passerer gjennom overflatevevet i dyplaget, påvirkes ikke det mellomliggende vevet. Hvis laserstrålen sprer seg inn i vevet, absorberes ikke energi på overflaten, men tilfeldig distribueres i de dype lagene.

Den tredje faktoren om vekselvirkning av vev med en laser er energidensiteten. Når laseren og vevet samhandler, når alle andre faktorer er konstante, kan endring av størrelsen på punktet eller eksponeringstiden påvirke vevtilstanden. Hvis størrelsen på stedet på laserstrålen minker, øker effekten som virker på et visst volum av vev. Omvendt, hvis spotstørrelsen øker, reduseres energidensiteten til laserstrålen. For å endre størrelsen på stedet, kan du fokusere, forhåndsfokusere eller defokusere ejectionsystemet på stoffet. Med prefokusering og defokusering av strålene er spotstørrelsen større enn den fokuserte strålen, noe som resulterer i en lavere krafttetthet.

En annen måte å endre vevets effekter er pulsering av laser energi. Alle pulsmodusene for stråling intermitterende perioder med strøm på og av. Siden energien ikke når vevet under nedleggingsperioder, er det mulig å spre varme. Hvis avstengningsperioder er lengre enn termisk avspenningstid for målvevet, reduseres sannsynligheten for skade på det omgivende vev ved termisk ledningsevne. Termisk avspenningstid er den tid som kreves for å løsne halvparten av varmen til en gjenstand. Forholdet mellom varigheten til det aktive gapet og summen av aktive og passive pulsasjonsintervallene kalles arbeids syklus.

Driftssyklus = på / på + av

Det finnes ulike pulsmoduser. Energi kan produseres i batcher ved å angi perioden når laser utsender (f.eks. OD c). Energi kan overlappe når en konstant bølge er blokkert i visse intervaller med en mekanisk lukker. I superpulsmodus er energien ikke bare blokkert, men lagret i laserenergikilden i avslutningsperioden, og deretter utkastet i løpet av perioden. Dvs. Toppenergien i superpulsmodus er betydelig høyere enn den i konstant modus eller overlappingsmodus.

I en laser som genererer i det gigantiske pulsregimet, blir energien også bevart i nedleggelsesperioden, men i et lasermiljø. Dette oppnås ved å bruke en spjeldmekanisme i hulromskammeret mellom de to speilene. En lukket klaff forhindrer generering i laseren, men lar energi lagres på hver side av klaffen. Når klaffen er åpen, samvirker speilene, noe som forårsaker dannelsen av en høy-energi laserstråle. Toppenergien til en laser som genererer i det gigantiske pulsregimet er veldig høy med en kort driftssyklus. En laser med synkroniserte moduser ligner en laser som genererer i den gigantiske pulsmodusen, ved at en spjeld forsynes mellom de to speilene i hulromskammeret. En laser med synkroniserte moduser åpner og lukker spjeldet i synkronisering med tiden det tar å reflektere lyset mellom to speil.

Egenskaper av lasere

• Kullsyre laser

Karbondioksidlaser brukes oftest i otorhinolaryngologi / hode og nakke kirurgi. Lengden på dens bølge er 10,6 nm - en usynlig bølge av det fjernt infrarøde området av spektromagnetisk elektromagnetisk stråling. Veiledning langs strålen av en helium-neon laser er nødvendig for at kirurgen skal kunne se influensjonsområdet. Lasermediet er C02. Bølgelengden absorberes godt av vannmolekyler i vevet. Effektene er overfladiske på grunn av høy absorpsjon og minimal dispersjon. Stråling kan kun overføres via speil og spesielle linser plassert på en hengslet stolpe. Vevstangen kan festes til mikroskopet for presisjonsarbeid under forstørrelse. Energi kan også utløses gjennom et fokuseringshåndtak festet til hengselstangen.

• Nd: YAG laser

Bølgelengden til Nd: YAG (yttrium-aluminium granat med neodym) -laseren er 1064 nm, det vil si at den ligger i det nærliggende infrarøde området. Det er usynlig for det menneskelige øye og krever en tydelig helium-neon laserstråle. Lasermediet er yttrium-aluminium granat med neodym. De fleste kroppsvev absorberer ikke denne bølgelengden godt. Imidlertid absorberer det pigmenterte vevet det bedre enn den ikke-pigmenterte. Energi overføres gjennom overflatelagene til de fleste vev og er dispergert i dype lag.

Sammenlignet med en karbondioksid laser er spredning av Nd: YAG mye større. Derfor er inntrengningsdybden større og Nd: YAG er godt egnet for koagulering av dyptliggende kar. I forsøket er maksimal koagulasjonsdybde ca. 3 mm (koagulasjonstemperatur +60 ° C). Gode resultater av behandling av dyp perioral kapillær og cavernøs formasjoner ved hjelp av Nd: YAG laser er rapportert. Det er også en rapport om vellykket laserfotokoagulering med hemangiomer, lymphangiomer og arteriovenøse medfødte formasjoner. Imidlertid predisponerer en større inntrengningsdybde og utilsiktet ødeleggelse en økning i postoperativ arrdannelse. Klinisk minimeres dette ved trygge strøminnstillinger, et punkttilnærming til utbruddet og unngåelse av hudområder. I praksis ble bruk av en mørk rød Nd: YAG-laser praktisk talt erstattet av lasere med en bølgelengde som ligger i den gule delen av spekteret. Imidlertid brukes den som en hjelpelaser for nodalformasjoner av mørk rød farge (portfarge).

Det har blitt vist at Nd: YAG-laser undertrykker produksjonen av kollagen, både i fibroblastkultur og i normal hud in vivo. Dette antyder suksessen til denne laseren i behandlingen av hypertrofiske arr og keloider. Men klinisk er hyppigheten av tilbakefall etter keloider høy, til tross for den kraftige, ekstra lokale behandling med steroider.

• Kontakt Nd: YAG laser

Bruken av Nd: YAG-laser i kontaktmodus endrer signifikant de fysiske egenskapene og absorptiviteten til strålingen. Kontakttipset består av en krystall av safir eller kvarts, direkte festet til enden av laserfibrene. Kontaktspissen samhandler direkte med huden og virker som en termisk skalpel, kutting og koagulering samtidig. Det er rapporter om bruken av et kontakttip med et bredt spekter av inngrep på myke vev. Disse applikasjonene er nærmere elektrokoagulasjon enn ikke-kontakt Nd: YAG. I utgangspunktet bruker kirurger nå laserspesifikke bølgelengder, ikke for å skjære vev, men for å varme opp spissen. Derfor er prinsippene for interaksjon av laseren med vev ikke anvendelige her. Reaksjonstiden til kontaktlaseren er ikke så direkte en funksjon som ved bruk av en fri fiber, og derfor er det en forsinkelsesperiode for oppvarming og avkjøling. Men med erfaring blir denne laseren praktisk for tildeling av hud- og muskeltransplantater.

• Argon laser

Argonlaseren avgir synlige bølger med en lengde på 488-514 nm. På grunn av utformingen av hulromskammeret og den molekylære strukturen til lasermediet, produserer denne typen laser et langt bølgelengdeområde. Individuelle modeller kan ha et filter som begrenser stråling til en enkelt bølgelengde. Energien til argonlaseren absorberes godt av hemoglobin, og dispersjonen er mellomliggende mellom karbondioksid og Nd: YAG-laser. Strålingssystemet for en argonlaser er en fiberoptisk bærer. På grunn av den store absorpsjonen av hemoglobin absorberer de vaskulære neoplasmene i huden også laserens energi.

• KTP laser

KTP (kaliumtitanylfosfat) -laseren er en Nd: YAG-laser hvis frekvensen dobles (bølgelengden halveres) ved å overføre laser energi gjennom KT-krystallet. Dette gir grønt lys (bølgelengde 532 nm), som tilsvarer absorpsjonstoppen av hemoglobin. Dens penetrasjon i vev og spredning er lik den for en argon laser. Laser energi overføres av fiber. I kontaktløs modus fordampes og koagulerer laseren. I halvkontaktmodus berører spissen av fiberen knapt stoffet og blir et skjæreverktøy. Jo mer energi som brukes, jo mer fungerer laser som en termisk kniv, som ligner en karbon-syre laser. Anlegg med lavere energi brukes primært til koagulering.

• En fargelaser som er begeistret av en blitslampe

Fargelaseren som var begeistret av flashlampen, var den første medisinske laseren som var spesielt utviklet for å behandle godartede vaskulære neoplasmer i huden. Dette er en synlig lyslaser med en bølgelengde på 585 nm. Denne bølgelengden faller sammen med den tredje toppen av absorpsjonen av oksyhemoglobin, og derfor blir denne lasers energi hovedsakelig absorbert av hemoglobin. I området 577-585 nm er det også mindre absorpsjon av konkurrerende kromoforer, som melanin, og mindre spredning av laser energi i dermis og epidermis. Lasermediet er fargestoff rhodamin, som er optisk opphisset av en flashlampe, og strålingssystemet er en fiberoptisk bærer. Spissen av fargelaseren har et utskiftbart objektivsystem, som gjør det mulig å skape en spotstørrelse på 3, 5, 7 eller 10 mm. Laseren pulserer med en periode på 450 ms. Denne pulseringsindeksen ble valgt basert på termisk avspenningstid for ektatiske kar som ble funnet i godartede vaskulære neoplasmer i huden.

• Kobber damp laser

En kobberdamplaser produserer synlig stråling med to separate bølgelengder: en pulserende grønn bølge med 512 nm i lengde og en pulserende gul bølge med en lengde på 578 nm. Lasermediet er kobber, som er spennende (fordampet) elektrisk. Fiberfibersystemet overfører energi til spissen, som har en variabel spotstørrelse på 150-1000 μm. Eksponeringstid varierer fra 0,075 s til en konstant. Tiden mellom pulser varierer også fra 0,1 s til 0,8 s. Gult kobberdamplaserlys brukes til å behandle godartede vaskulære lesjoner i ansiktet. Den grønne bølgen kan brukes til å behandle slike pigmenterte formasjoner som fregner, lentigo, nevi og keratose.

• Ikke-dampet gul fargelaser

En gul fargelaser med undampet bølge er en synlig lyslaser som produserer gult lys med en bølgelengde på 577 nm. Som en laser på et fargestoff, begeistret av en blitslampe, blir det innstilt ved å skifte fargestoffet i laseraktiveringskammeret. Fargen er begeistret av en argon laser. Utkastningssystemet for denne laseren er også fiberoptisk kabel, som kan fokusere på forskjellige spotstørrelser. Lasertallet kan pulsere ved hjelp av en mekanisk lukker eller en Hexascanner-tip festet til enden av fiberoptisk systemet. Hexascanner styrer tilfeldig pulser av laser energi inne i sekskantet kontur. Som en fargelaser som er begeistret av en blitslampe, og en kobberdamplaser, er en gul fargelaser med undampet bølge ideell for behandling av godartede vaskulære lesjoner i ansiktet.

• Erbium laser

Erbium: UAS-laseren bruker et bånd med absorpsjonsspekter med vann på 3000 nm. Bølgelengden på 2940 nm tilsvarer denne toppen og absorberes sterkt av vevsvannet (ca. 12 ganger større enn karbondioksidlaseren). Denne laseren, som sender ut i det nær-infrarøde spektret, er usynlig for øyet og bør brukes med en synlig styrestråle. Laseren pumpes av en blitslampe og avgir makroimpulser på 200-300 μs varighet, som består av en serie mikropuls. Disse lasere brukes med et tips festet til hengselstangen. En skanningsenhet kan også integreres i systemet for raskere og mer jevn fjerning av vev.

• Ruby laser

Ruby laser - en laser pumpet av en pulserende lampe som sender lys med en bølgelengde på 694 nm. Denne laseren, som ligger i den røde delen av spektret, er synlig med øyet. Det kan ha en laser lukker for å produsere korte pulser og oppnå en dypere inntrengning i vevet (dypere enn 1 mm). En lang puls rubin laser brukes til å foretrekke oppvarming av hårsekkene under laser hårfjerning. Denne laserstrålingen overføres ved hjelp av speil og systemet til en hengslet stang. Det absorberes dårlig av vann, men absorberes sterkt av melanin. Ulike pigmenter som brukes til tatoveringer, absorberer også stråler med en bølgelengde på 694 nm.

• Alexandrite laser

Alexandrite-laseren, en solid-state laser som kan oppblåses av en flashlampe, har en bølgelengde på 755 nm. Denne bølgelengden, plassert i den røde delen av spekteret, er ikke synlig for øyet og krever derfor en styrestråle. Det absorberes av blå og svarte pigmenter for tatoveringer, så vel som melanin, men ikke hemoglobin. Dette er en relativt kompakt laser som kan overføre stråling over en fleksibel fiber. Laseren trenger relativt dyp, noe som gjør det praktisk å fjerne hår og tatoveringer. Plassstørrelsen er 7 og 12 mm.

• Diodelaser

Nylig ble dioder på superledende materialer koblet direkte til fiberoptiske enheter, noe som førte til utslipp av laserstråling med forskjellige bølgelengder (avhengig av egenskapene til materialene som brukes). Diode lasere preges av deres ytelse. De kan overføre innkommende elektrisk energi inn i lyset med en effektivitet på 50%. Denne effektiviteten, som er forbundet med mindre varmeproduksjon og inngangseffekt, gjør det mulig for kompakte diode lasere å ha et design uten store kjølesystemer. Lyset overføres fiberoptisk.

• Filtrert impulslampe

Den filtrerte pulslampen som brukes til hårfjerning er ikke en laser. Tvert imot er det et intenst, usammenhengende, impulsspekter. For utslipp av lys med en bølgelengde på 590-1200 nm, bruker systemet krystallfiltre. Bredden og integraldensiteten til pulsen, også variabel, tilfredsstiller kriteriene for selektiv fotothermolyse, som setter denne enheten på nivå med hårfjerningslasere.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]